Crean material sintético casi tan duro como el diamante

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Un equipo internacional de científicos ha logrado “desbloquear” el potencial de los nitruros de carbono.

Solemos verlos engarzados en sortijas y demás alhajas, pero la mayoría de los diamantes que salen de las minas, alrededor del 80%, se conocen como bort y destinan a usos que poco tienen que ver con la joyería.

Su sorprendente dureza los convierte en un recurso valioso para científicos e industria, que los aprovecha para fines tan dispares como el desarrollo de herramientas médicas, el trabajo con rocas o incluso tecnología espacial.

El problema es que conseguirlos no siempre es fácil, ni barato, ni tampoco sostenible.

Ahora un equipo de investigadores ha dado con la clave para desarrollar una alternativa sintética: un nuevo material dotado de una dureza tan extrema que hay quien asegura que competirá con los diamantes.

La tarea no era sencilla y ha llevado décadas de trabajo llevarla a cabo.

De ahí que lo que ha conseguido el equipo de científicos de las universidades de Edimburgo, Bayreuth y Linköping resulte tan importante.

Lo que han logrado es ni más ni menos que producir nitruros de carbono, un material de tal dureza que puede rivalizar con los diamantes y ofrece valiosas cualidades para la industria.

Como recuerdan los propios científicos, los esfuerzos para sintetizarlos se remontan a hace ya tres décadas sin que se haya obtenido “ninguna evidencia inequívoca” de su existencia.

Eso hasta ahora, claro. El equipo de Edimburgo, Bayreuth y Linköping asegura haber logrado sintetizar compuestos de carbono-nitrógeno y “desbloquear” al fin el potencial de los nitruros de carbono.

Para conseguirlo, los científicos han tenido que recrear condiciones extremas en sus laboratorios.

“Sometieron varios precursores de carbono-nitrógeno a presiones increíblemente altas, entre 70 y 135 gigapascales (GPa), correspondiendo 100 GPa a 1.000.000 de veces la presión atmosférica, y los calentaron por encima de 2.000 K en celdas de yunque de diamante“, anotan.

Las muestras se sometieron luego a difracción de rayos X monocristalinos en los aceleradores de partículas del ESRF, DESY y APS, en Francia, Alemania y EEUU, respectivamente.

Los resultados revelaron cuatro nitruros de carbono, incluidas la composición C3N4.

Prueba de su dureza es que al someterlos a alta presión los científicos comprobaron que dejaban huellas en la superficie del diamante.

A finales de los 80 se teorizó sobre un compuesto de carbono y nitrógeno C3N4 con propiedades asombrosas.

Las investigaciones sobre las propiedades de estos materiales muestran que son sorprendentemente duros, con una resistencia notable a la compresión y presentan además una elevada densidad de energía.

Son piezoeléctricos, fotoluminiscentes y muestran propiedades ópticas no lineales.

“Se espera que los nitruros de carbono sintetizados exhiban múltiples funcionalidades excepcionales, además de sus propiedades mecánicas, con el potencial de ser materiales de ingeniería en la misma categoría que el diamante.

Pero a diferencia del diamante se pueden dopar fácilmente, lo que siempre es un problema con la electrónica del diamante”, explica Natalia Dubrovinskaia, del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth.

Si por algo destacan los nitruros de carbono es por su elevada dureza, con un nivel de resistencia que supera incluso al nitruro de boro cúbico, el segundo material más duro tras el diamante.

El nuevo nitruro de carbono alcanza una dureza de 78 o 86 GPa, en función de la estructura cristalina, por encima del nitruro de boro cúbico, que ronda los 50 o 55 GPa, pero aún por debajo de la dureza mostrada por el diamante, con 90 GPa.

investigadores que han participado en el estudio plantean que su avance “abre las puertas al uso de materiales multifuncionales con fines industriales” que van desde herramientas de alta resistencia a revestimientos protectores para vehículos o naves espaciales, paneles solares o fotodetectores.

“No solo destacan por su multifuncionalidad, sino que también muestran que se pueden recuperar fases tecnológicamente relevantes a partir de una presión de síntesis equivalente a las condiciones que se encuentran a miles de kilómetros en el interior de la Tierra”, añade el profesor Florian Trybel.

En Bayreuth hablan también de su provecho en campos como la ciencia de materiales, la electrónica o la óptica.

“Las aplicaciones potenciales de estos nitruros de carbono ultracomprensible son enormes, ya que son semiconductores transparentes de banda ancha y poseen fuertes propiedades ópticas luminiscentes, piezoeléctricas y no lineales“, desgrana la institución junto a una lista en la que se incluyen las aplicaciones aeroespaciales, energéticas o ambientales.

Por delante le quedan también desafíos, por supuesto: sus muestras son aún muy pequeñas, de apenas unos micrómetros, y crear materiales de mayor tamaño exigirían unas condiciones que encarecerían enormemente el nitruro de carbono.

Fuente: University of Bayreuth